思維導圖在“數字信號處理”課程教學中的應用

梁佳 林永照 蘇令華

摘? 要：2020年新冠肺炎疫情的暴發加速了在線高等教育的發展，建設課程在線資源是能夠有效開展在線教育的基礎。通過將知識碎片化，以獨立的知識點為基礎單元進行微課、慕課等類型的資源建設。本文分析了碎片化知識資源建設的不足，并以“數字信號處理”為例，應用思維導圖在教學環節中不同層次上構建知識體系，主要體現在：構建橫向大跨度知識框架，旨在加速構建并完善學生課程知識體系;構建以教學實施為中心的縱向知識框架，旨在豐富知識內容，拓展課程外延;構建以實踐環節為中心的知識框架，旨在鍛煉問題教學法（PBL）中，學生知識搬移運用的能力，引導學生使用思維導圖，激發學生發散思維。

關鍵詞：在線資源;數字信號處理;思維導圖;知識體系;發散思維

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）23-0046-03

隨著高等教育改革的不斷深化，特別是在2020年新冠肺炎疫情的影響下，教學改革的新模式更應順應以學生為主體、以能力培養為目的、以線上學習為主要手段的要求。圍繞高等教育各校建設慕課、微課為主的線上資源。但對于部分專業課程，這種碎片化的知識學習不利于有效幫助學生構建課程知識體系框架，建立知識點之間的相互聯系。以我校“數字信號處理”課程為例，課程為電子通信類專業大三開設的專業基礎課，是后續專業課程的基礎。課程第一個特點是知識點繁雜瑣碎，且課程知識外延廣;第二個特點是大三學生經歷兩年的學習，學習基礎呈現出個體差異化;第三個特點是公式多、概念抽象、知識跨度大且聯系緊密。基于上述三點情況，在教學實施階段需要能夠構建課程框架，建立知識點聯系，且具備差異化的新手段或新工具，本文提出“數字信號處理”基于思維導圖的線上線下混合教學模式。

一、思維導圖概述

思維導圖是20世紀60年代由英國人東尼·博贊創造的一種筆記方式，是東尼·博贊在對大量筆記進行研究后總結歸納出來的，主要用于幫助理清知識脈絡，提高學習及記憶效果。東尼·博贊的兄弟將思維導圖應用于學術創作、講座準備和管理，并在激發思維和整理思維方面取得了顯著的成績，從而逐步成為各領域所使用的思維工具[1]。思維導圖運用簡短的文字突出主題，利用線條、顏色、符號和圖像等要素建立核心集中、主干發散、層次分明、聯系緊密的知識框圖[2-5]。思維導圖通過梳理繁雜知識的脈絡可以構建大夸度發散的水平思考，可以構建全面深入的垂直思考，有效地將知識串聯起來。

隨著思維導圖的廣泛使用，用于繪制思維導圖的工具也日漸豐富[2][4]。目前常見軟件有MindManager、MindMapper和XMind等，本文所示的思維導圖是用XMind軟件繪制而成的。

二、思維導圖在數字信號處理教學中的應用

隨著教學理念的更新，信息資源的豐富，傳統教學模式呈現由傳統的線下教學快速轉變為線上教學或線上線下混合式教學的趨勢。微課資源給予學習者充分利用碎片化時間帶來便利的同時，也存在著碎片化知識聯系不緊密，知識廣度及深度不足，對于實踐教學的針對性不強等問題。在充分分析思維導圖特點的基礎上，通過構建不同層次的思維導圖串聯“微課群”可有效解決以上問題。下面以數字信號處理為例，探討其在實際教學中的應用。

（一）完善知識體系，構建知識專題

中國慕課網上，各大院校開設的“數字信號處理”課程中包含的微課視頻均在50至60個，這些“微課群”基本達到課程內容重難點的全覆蓋，每個微課僅著重講解課程中的單個知識點內容，解決了學生存在單個知識點困惑的問題。但是對于很多工科課程而言，碎片化的知識點之間并不是完全獨立的，而是緊密聯系、環環相扣的;學生對于課程內容的進一步加深和理解，需要從單個知識點的學習開始，到構建知識面或者課程知識體系，最后再回歸到單個知識點的循環遞進過程。這就要求通過某種方式加速學生由點到面或體再回歸到點的過程，系統性地掌握課程內容體系，加深對單個知識點理解的深度。利用思維導圖建立覆蓋全面、內在聯系清晰且知識點跨度大的課程內容體系，如圖1。從思維導圖可以清晰看到數字信號處理分為三個專題，建立了從時域處理到變換域處理再到實踐應用環節的濾波器設計的即相對獨立又相輔相成的體系。從基本認知出發首先解決信號時域處理問題，提出時域上處理的難題;再引入介紹變換域的工具，把時域問題轉化為變換域問題并有效解決;最后點明數字信號處理的工程實踐應用——數字濾波器。學生以碎片化的知識為出發點，沿著這條主線不斷加深內涵和相互關聯的認知，快速構建課程知識體系。

（二）拓展知識深度，建立知識微聯系

現存的微課、慕課等在線學習資源，時間長度均在8～10分鐘左右，旨在講明一個小知識點。那么對于線上線下混合式教學的實施而言，一次線下授課內容可能包含多個微課、慕課，這就必須要求在線信息資源與線下講授的有機結合，既要突出在線信息資源對于線下授課內容重難點的支撐作用，又要體現線下授課是以在線信息資源的基礎上的深化與拓展，同時幫助學生建立各知識之間的關聯，在內容上加以補充和拓展。對于線下授課而言，通過黑板這種傳統板書一般難以簡明快速地概述單次授課內容及思路。而運用思維導圖可建立單次授課知識的微聯系，拓展在線信息資源內容深度，加深學生對于知識的理解。以講授快速傅里葉變換為例，授課內容（如圖3所示）包含時域抽取基-2快速傅里葉變換（DIT-FFT）、頻域抽取基-2快速傅里葉變換（DIF-FFT）、快速傅里葉逆變換（IFFT）等多個知識點。授課內容多而雜，需要構建以單次授課為主的知識微聯系;所涉及的知識點既是重點也是難點，需要在線下授課環節中通過橫向對比進一步鞏固加深理解，還需要通過拓展內容提升知識搬移運用能力。

（三）提升知行合一能力，激發思維發散水平

在現代教育理念中強調對學生知識運用能力的培養，在實踐課程教學環節上采取以案例問題為中心的PBL教學法可以有效呼應現代教育理念要求。但因課時限制，在目前實際教學中存在頭重腳輕的現象，重在問題分析，輕在問題解決[5]。對于PBL教學中案例問題的解決，不僅要在問題分析的基礎上設計方案流程，還要在引導學生以案例問題為中心激發學生發散思維，架設理論與實踐對應的橋梁，鼓勵學生應用思維導圖構建基于PBL的知識框架體系。以實驗《你撥的號碼我知道》為例，學生根據實驗方案設計實驗流程并完成該實驗的思維導圖（如圖2所示），實驗知識內容涉及時域信號處理，快速傅里葉變換，MATLAB編程語言等。在完成實驗內容的基礎上，鼓勵學生頭腦風暴，激發學生思維發散水平。

三、結語

以實際教學應用情況來看，有針對性且靈活地運用思維導圖，分層次構建知識體系框架，有效應用于線上線下混合式教學中，能加速學生構建課程知識整體體系，拓展單個知識內容的深度及廣度，激發學生主動思考，提升發散思維水平，提高人才綜合能力水平。

參考文獻：

[1] 張敏. 思維導圖在士官應用數學課程中的應用探析[J]. 教育教學論壇，2020（41）：273-274.

[2] 趙國慶. 概念圖、思維導圖教學應用若干重要問題的探討[J]. 電化教育研究，2012（05）：1003-1553.

[3] 楊凌. 概念圖、思維導圖的結合對教與學的輔助性研究[J]. 電化教育研究，2006（06）：1003-1553.

[4] 閆洪森. Mind Manager軟件在高等教育教學中的應用[J]. 長春大學學報，2009（19）：9-11.

[5] 高雪. 基于問題的學習（PBL）在醫學教育中的利與弊[J]. 基礎醫學與臨床，2014，34（01）：142-144.

（責任編輯：汪旦旦）